多普勒效应与以太难题

多普勒效应与以太难题

牛顿之后，物理学的发展在相当一段时间里再也没有这样的高峰了，不过其中的多普勒效应以及以太问题，对于以后物理学包括爱因斯坦的相对论的提出与发展都有相当密切的关系。

多普勒效应

当我们站在铁路边等火车过去时，火车鸣着汽笛奔驰过来，我们会听到那汽笛声高得十分刺耳，而且火车越是接近，就越显其高。当火车经过我们，又离我们而去时，原来尖锐刺耳的声音一下子变得低沉起来。这个现象可以用多普勒效应来解释。

多普勒效应在天文学上有广泛的用途。因为这种效应是所有波都具有的，其中包括光波。因此，当光源快速离我们而去时，它的频率会降低；相反，当光源快速冲我们而来时，它的频率就会提高。体现在光谱里，就是越往紫色的那边频率越高，越往红光的那边频率越低。因此，当天体快速冲我们而来时，由于光谱的频率提高，它的谱线就必定会往紫色一边移动。如果天体是离我们而去，其谱线必定会向红色一端移动。这就是光波中的多普勒效应。我们可以称前者为紫移，称后者为红移。

这一现象对于现代天文学与宇宙学极为重要。因为，天文学家们在观察天体时，发现一个明显的现象是，所有天体——无论位于我们地球的东南西北还是上下左右，其光谱都有红移现象，这就是所谓的“宇宙红移”，根据多普勒效应，这说明所有天体都在飞快地离我们而去，就好像一颗炸弹在空中爆炸后，其弹片往四周飞散的样子。于是天文学家们就此提出了一种宇宙起源的学说，即宇宙间所有天体，包括地球，都是一场发生于约数百亿年前的一次大爆炸。大爆炸后，宇宙起初只是能量，但随着爆炸带来的不断膨胀，能量逐渐转换成物质，物质成了宇宙的主体。而且，大爆炸产生的余威一直在继续，使形成的天体仍在不断地从中心向四周飞散，而宇宙也在不断地膨胀下去，直到永远。

这就是宇宙学中著名的“膨胀的宇宙”和“大爆炸宇宙学说”，迄今都是最流行的宇宙模型与宇宙形成理论。

新宇宙

不存在的以太

以太是一个古老的哲学与科学概念，到了19世纪，以太观念更加流行。人们认为光是一种波，但所有的波的传播都需要一种介质，例如水波需要水，声波需要空气，在没有空气或者空气极为稀薄的太空里声波是不能传播的。这样，如果光真的是一种波，那么它靠什么来传播呢？

于是，波动说的创始人之一惠更斯就假想光在一种叫“以太”的媒质中传播，被广泛接受。以太说虽然可以解释光波的传播，然而它将以太解释为像空气或者水一样具体存在的物质却面临许多疑难。例如，我们知道光的传播速度是极大的，每秒达30万千米，而声音在空气中的传播速度只有300余米每秒，只及光速的百万分之一，水波的速度就更慢了，如果一种介质能够如此快速地传递一种波，那它就必须具有许多奇妙的性质，例如它的弹性必须非常之大同时密度又非常之小，这样的性质对于具体的物质是不可想象的。

那么如何能够将以太找出来呢？如何证实或者否证以太的存在呢？这就是科学史上著名的以太难题了。为了解决这个难题，无数科学家花费了数不清的心血，作了许多的假设与验证。其中最有名者就是迈克尔逊—莫雷实验了。实验的结果令所有以太的信奉者们大跌眼镜——他们根本没有侦测到运动的“以太风”，也就是说，即使以太是存在的，它也必须相对地球而言是绝对静止的，而我们知道地球肯定是运动的，那么也就是说，以太必须是与地球绝对等速地运动。辛苦实验的结果，就得出了个以太既必须静止又必须运动的特性。这当然是不可能的。那么，剩下的唯一可能性只有一个了，那就是根本没有什么以太。